Unterschied zwischen Schrägverzahnung und Fischgrätenverzahnung

Maschinen benötigen eine kontinuierliche Energiequelle, um bestimmte Aufgaben auszuführen. Die meisten Industriemaschinen werden durch mechanische Kraft angetrieben, die in Form eines Drehmoments auftritt. Eine Antriebsmaschine wird verwendet, um mechanische Energie zu erzeugen, die andere Energieformen umwandelt; Beispielsweise wandelt ein Elektromotor elektrische Energie in mechanische Energie um. Ein mechanisches Kraftübertragungssystem wird verwendet, um Kraft von solchen Antriebsmaschinen zu den beabsichtigten Stellen der Maschineneinheit zu übertragen. Es umfasst im Wesentlichen vier Laufwerke; greift jedoch zu Hilfe anderer mechanischer Elemente für eine unterbrechungsfreie Kraftübertragung. Zahnradantrieb, Riemenantrieb, Kettenantrieb und Seilantrieb sind vier mechanische Antriebe, die Bewegung, Drehmoment und Leistung von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle übertragen können. Jedes dieser vier Laufwerke hat unterschiedliche Merkmale und kann daher gegenüber anderen spezifische Vorteile bieten.

Ein Zahnradantrieb ist ein starrer mechanischer Antrieb vom Eingriffstyp, der für die Kraftübertragung über kleine Distanzen geeignet ist. Es kann hohe Kräfte ohne Schlupf übertragen (Zwangsantrieb). Basierend auf der relativen Ausrichtung von Antriebs- und Abtriebswelle und dem Zahnprofil kann der Zahnradantrieb in vier Gruppen eingeteilt werden – Stirnrad, Schrägstirnrad, Kegelrad und Schneckenrad. Das Stirnrad ist der einfachste Zahnradtyp mit geraden Zähnen parallel zur Zahnradachse und kann Kraft nur zwischen parallelen Wellen übertragen. Obwohl Schrägverzahnungen auch für parallele Wellen verwendet werden, sind die Zähne nicht parallel zur Zahnradachse. Hier werden Zähne in spiralförmiger Form auf dem Zahnradrohling geschnitten, wobei der gleiche Schrägungswinkel beibehalten wird. Kegelrad kann gerade oder spiralförmig verzahnt sein und wird für sich kreuzende Wellen verwendet; während Schneckengetriebe für senkrechte, aber sich nicht schneidende Wellen verwendet werden.

Obwohl Schrägverzahnungen gegenüber Stirnradgetrieben gewisse Vorteile bieten, wird das Lager axial belastet. Diese Schubbelastung ist nachteilig und begrenzt die Kraftübertragungsfähigkeit. Darüber hinaus erfordert es kostspielige und voluminöse Lager, um radialen und axialen Belastungen standzuhalten. Diese Schubbelastung kann jedoch durch Verwendung von Fischgräten- oder Doppelschrägverzahnungen eliminiert werden. In Fischgrätenmuster , werden Zähne in zwei Hälften des Zahnradrohlings geschnitten, wobei das gleiche Modul, die Anzahl der Zähne und der Schrägungswinkel, aber die entgegengesetzte Richtung der Schrägung beibehalten werden. Somit ist die Schubkraft, die von jeder Hälfte des Pfeilzahnrads erzeugt wird, gleich und entgegengesetzt und eliminiert sich somit gegenseitig. Außerdem kann es ohne große Probleme vergleichsweise höhere Leistungen übertragen. Verschiedene Unterschiede zwischen Schrägverzahnung und Pfeilverzahnung sind unten in Tabellenform aufgeführt.

Tabelle:Unterschied zwischen Schrägverzahnung und Pfeilverzahnung

Zahnprofil: Die Zähne des Schrägstirnrads sind in Form einer Schräge auf dem Wälzzylinder geschnitten. Ein spezielles Schrägstirnrad besteht entweder aus linksgängigen Schrägverzahnungen oder aus rechtsgängigen Schrägverzahnungen. Zum Zeitpunkt des Eingriffs kann ein Schrägstirnrad mit Linksschrägung nur mit einem Schrägstirnrad mit Rechtsschrägung zusammenpassen. Auf der anderen Seite besteht ein Fischgrätengetriebe aus zwei Wendelhänden in einem einzigen Getriebe. Jedes Fischgrätenrad hat zwei unterschiedliche Hälften – eine Hälfte muss eine linke Schrägverzahnung haben und die andere Hälfte sollte eine rechte Schrägverzahnung haben. Andere Merkmale wie Teilkreisdurchmesser, Modul, Zähnezahl, Schrägungswinkel und Breite oder Dicke sind in beiden Hälften gleich; Der einzige Unterschied ist ihre Spiralhand.

Schubkraft: Stirnradgetriebe bieten viele Vorteile gegenüber Stirnradgetrieben, wie z. B. allmähliche Belastung der Zähne, weniger Vibrationen, mehr Belastbarkeit, höhere Lebensdauer usw. Hauptnachteil ist die Schubbelastung. Da die Zähne des Stirnrads gerade und parallel zur Zahnradachse sind, erzeugt ein Paar zusammenpassender Stirnräder nur eine radiale Belastung. Aufgrund der Schrägverzahnung induziert ein Paar zusammenpassender Schrägstirnräder sowohl eine radiale als auch eine axiale Belastung. Daher sind stärkere Lager erforderlich, um beide Belastungsarten gleichzeitig auszuhalten. Pfeilverzahnung kann ähnliche Vorteile bieten wie die Schrägverzahnung und eliminiert gleichzeitig die Schubkraft. Hier ist die von jeder Hälfte erzeugte Schubkraft gleich und entgegengesetzt (wegen der entgegengesetzten Richtung der Spirale), und somit wird die resultierende Schubkraft Null. Ein Paar zusammenpassender Fischgrätenräder induziert also keine axiale Schubkraft auf die Lager (es existiert nur eine radiale Kraft).

Spiralwinkel: Die Schubkraft steigt mit dem Steigungswinkel der Zähne; Ein höherer Schrägungswinkel kann jedoch Vibrationen und Zahnverschleiß erheblich reduzieren und die Tragfähigkeit erhöhen. Diese Schubkraft begrenzt den maximalen Schrägungswinkel bei Schrägverzahnung. Typischerweise wird er zwischen 20 – 25° gehalten. Das Fehlen von Schubkraft in Fischgrätengetrieben ermöglicht jedoch die Verwendung eines höheren Schrägungswinkels, sogar bis zu 45 °.

Lager zur Befestigung der Wellen: An- und Abtriebswelle sind beidseitig mit entsprechenden Lagern gelagert. Abgesehen davon, dass sie die Wellen stützen und eine genaue Position beibehalten, leiten Lager auch Vibrationen und Belastungen ab und übertragen sie anschließend über den Rahmen auf den Boden. Üblicherweise werden Wälzlager in Getrieben eingesetzt, es sei denn, die Drehzahl ist sehr hoch. Es gibt verschiedene Arten von Wälzlagern, von denen einige nur für radiale Belastung geeignet sind, einige nur für axiale Belastung geeignet sind und nur wenige radiale und axiale Belastungen aufnehmen können. Beispielsweise können Rillenkugellager, Schräglager und Kegelrollenlager sowohl radiale als auch axiale Belastung aufnehmen. Somit können diese Lager für Stirnradgetriebe eingesetzt werden. Andererseits können Zylinderrollenlager schwere radiale Belastungen aufnehmen und können daher mit Pfeilverzahnungsgetrieben verwendet werden.

Leistungsübertragungskapazität: Die Grundfunktion jedes mechanischen Antriebs besteht darin, mechanische Kraft von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle zu übertragen. Verschiedene Laufwerke bieten je nach Größe, Material und anderen Merkmalen unterschiedliche Übertragungskapazitäten. Obwohl die Übertragungskapazität des Stirnradgetriebes vergleichsweise höher ist als die eines ähnlichen Stirnradgetriebes, wird es im Allgemeinen nicht für Schwerlastanwendungen verwendet. Die Axiallast und die Verfügbarkeit von Lagern setzen die Grenze bei Hochleistungsanwendungen. Pfeilverzahnungen und Doppelschrägverzahnungen sind für solche Bereiche die bevorzugte Wahl. Beispielsweise kann ein Fischgräten-Planetengetriebe (HPGT) in schweren Maschinen wie Kohleschneidern, Luft- und Raumfahrtmotoren, Windturbinen usw. beobachtet werden.

Getriebeherstellung: Das Schneiden von Schrägverzahnungen auf dem Stirnradrohling ist nicht schwierig; jedoch tritt ein Problem auf, wenn am Ende der Zähne kein Freiraum vorhanden ist. Wie Stirnräder können auch Schrägverzahnungen mit Ritzel-Wälzstoßfräsern geschnitten werden. Wälzfräsen kann auch zum Schneiden von Schrägverzahnungen verwendet werden. Aber bei einem Zahnrad mit Fischgrätenmuster gibt es keinen Entlastungsspalt zwischen der linken und der rechten Hälfte. Somit ist das Schneiden von Zähnen an dieser Verbindungsstelle ziemlich kompliziert, da die Gefahr besteht, dass die andere Hälfte überschritten wird. Es erfordert einen speziellen Wälzfräser mit einer Nut, die mit dem Fischgrätenzahnrad übereinstimmt. Zur Aufrechterhaltung ist auch ein hohes Maß an örtlicher und winkelmäßiger Ausrichtung erforderlich.

In diesem Artikel wird ein wissenschaftlicher Vergleich zwischen Schrägverzahnung und Fischgrätenverzahnung vorgestellt. Der Autor empfiehlt Ihnen außerdem, die folgenden Referenzen durchzugehen, um das Thema besser zu verstehen.

1. Design of Machine Elements von V. B. Bhandari (vierte Ausgabe; McGraw Hill Education).
2. Maschinendesign von R. L. Norton (fünfte Ausgabe; Pearson Education).
3. Ein Lehrbuch des Maschinendesigns von R. S. Khurmi und J. K. Gupta (S. Chand; 2014).